三相半桥并联整流系统网侧谐波的直流侧抑制技术研究

摘要

三相半桥并联整流系统的电流回路仅有一个管压降，导通损耗小，因而被广泛应用于电解、电镀和电加热等低压大电流工业场合。但整流器件的强非线性使其向电网注入大量电流谐波，且因换相重叠的存在产生电压陷波，形成严重的谐波污染。因此在保持三相半桥并联整流系统原有优势的前提下，寻求一种低复杂度、高效率的谐波抑制方法已成为一个亟待解决的问题。为此，本文针对三相半桥并联整流系统采用直流侧抑制网侧谐波的技术途径，开展新型无源脉波倍增谐波抑制方法、基于有源平衡电抗器的谐波抑制方法、直流侧抑制网侧谐波机理及整流系统设计方法的研究。
　　为了解决常规抽头式无源脉波倍增电路抽头上的二极管串联在负载通路，不宜应用低压大电流场合的问题，发明了一种带副边绕组及全波整流器的平衡电抗器(SFRIR)，来构成一种新型无源脉波倍增电路。SFRIR使得输入电流波形的阶梯数和输出电压的脉波数倍增，显著降低了输入电流的THD和输出电压纹波。通过分析SFRIR副边绕组输出电压与整流电路输出电压的关系，给出了SFRIR倍增脉波数的必要条件。根据交直流侧电流关系，建立了SFRIR匝比与输入电流THD之间的数学模型，利用该模型得出了SFRIR倍增整流电路脉波数的最优匝比。在最优匝比条件下，SFRIR的引入完全抵消了双反星形整流电路输入电流中的6k±1次谐波或四星整流电路输入电流中的12k±1次谐波。
　　但是，SFRIR仅能抵消输入电流中的部分特征次谐波，为了抑制输入电流中的所有特征次谐波，提出了一种基于有源平衡电抗器(AIPR)技术的三相半桥并联整流器网侧谐波抑制方法。根据交直流侧电流关系，分析了消除网侧电流谐波的环流类型，并给出了环流的波形参数。建立了直流侧环流与其网侧对应电流之间的数学模型，揭示了三角波环流抑制网侧谐波的作用机理，即AIPR所产生的环流流经交流侧时，其所含谐波成分与原整流电路输入电流中相应次数谐波幅值近似相等、但符号相反，抵消了输入电流中的大部分谐波。分析了三角波环流对系统换相过程的改善作用，它不仅显著减小了换相重叠，而且完全消除了变压器漏感产生的输出换相压降。
　　明确了直流侧抑制网侧谐波对系统磁性器件容量的影响，给出了一种具有谐波抑制能力的整流电路设计方法。分析了谐波抑制后整流单元的输出特性，由分析结果可知，SFRIR不仅增加了整流单元的输出电压，而且增加了整流单元的输出电流；AIPR不改变整流单元的输出电压，但增加了整流单元的输出电流，SFRIR和AIPR的加入都会增加系统磁性元件的容量。计算了基于SFRIR和AIPR的三相半桥并联整流电路中磁性元件(变压器、平衡电抗器和带副边的平衡电抗器)的等效容量，通过与常规三相半桥并联整流电路对比，SFRIR和AIPR的引入会使磁性器件的容量小幅增加。
　　构建了基于SFRIR和AIPR的三相半桥并联整流电路的实验系统，测试分析了系统的谐波抑制性能。验证了SFRIR对直流侧电流的调制作用和脉波倍增功能，分析了输入电压和负载变化对基于SFRIR的三相半桥并联整流电路谐波抑制性能的影响。通过分析环流提取电路的输入特性，明确了AIPR中谐波对应能量的流向，给出了AIPR的选型和工作原理。验证了环流对系统换相过程的改善作用，实验分析了输入电压和负载变化对基于AIPR的三相半桥并联整流系统网侧谐波抑制性能的影响。

目录

第 1章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 多脉波整流技术的发展概述

1.3 直流侧抑制网侧电流谐波技术国内外研究现状

1.4 国内外研究现状总结

1.5 论文的主要研究内容

第 2章新型脉波倍增电路的谐波抑制机理

2.1 基于SFRIR的三相半桥整流电路

2.2 SFRIR的工作模式分析

2.3 输入电流谐波最小时的SFRIR匝比

2.4 方波环流抑制网侧谐波机理

2.5 新型脉波倍增技术的仿真验证

2.6 本章小结

第 3章直流侧有源谐波抑制方法研究

3.1 基于AIPR的三相半桥并联整流系统

3.2 抑制网侧谐波的直流侧环流分析

3.3三角波环流抑制网侧电流谐波机理

3.4 三角波环流对系统换相的改善作用

3.5直流侧有源谐波抑制的仿真验证

3.6 本章小结

第 4章具有谐波抑制的整流系统设计

4.1 环流参数与辅助电路容量之间的关系

4.2 谐波抑制后整流单元的输出特性

4.3 谐波抑制后平衡电抗器的容量分析

4.4谐波抑制后的变压器容量分析

4.5与常规三相半桥并联整流系统比较

4.6本章小结

第 5章系统谐波抑制性能实验研究

5.1基于SFRIR的四星整流电路实验系统

5.2 基于SFRIR的四星整流电路实验结果分析

5.3 基于AIPR的四星整流系统设计

5.4 基于AIPR的四星整流系统实验结果分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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